EP1443182A2 - Kühleinrichtung - Google Patents

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Publication number
EP1443182A2
EP1443182A2 EP04100222A EP04100222A EP1443182A2 EP 1443182 A2 EP1443182 A2 EP 1443182A2 EP 04100222 A EP04100222 A EP 04100222A EP 04100222 A EP04100222 A EP 04100222A EP 1443182 A2 EP1443182 A2 EP 1443182A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
component
cross
cooling device
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04100222A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1443182A3 (de
Inventor
Christoph Nagler
André Schwind
Ralf Walz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1443182A2 publication Critical patent/EP1443182A2/de
Publication of EP1443182A3 publication Critical patent/EP1443182A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F05D2240/57—Leaf seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device for loading a first cavity with a cooling gas, in particular in a gas turbine Power plant.
  • a component on a first side is exposed to high thermal stress on its other side cool.
  • a heat shield on the one side is exposed to the hot combustion gases and on his other side exposed to a flow of cooling gas.
  • the respective component have a wall that closes, for example Fastening purposes and the first on this cooled side Separates cavity from a second cavity.
  • the first one can usually be connected to a cooling gas supply Cavity via one or more cooling gas channels from the second cavity be supplied with cooling gas.
  • the part separates the first cavity from a third cavity.
  • forms the third cavity is the hot gas area of a gas turbine.
  • this second component can be another heat shield, a Turbine blade or a seal.
  • the second component can in front of the mouth of the cooling gas duct, which on the one hand Cooling gas mass flow in the first cavity is reduced, so that there can set an undesirable temperature increase. On the other hand, it can come to an undesirable pressure drop in the first cavity, causing the third cavity hot gases bypassing the second component in the first cavity can enter, which also leads to an undesirable Temperature increase in the second cavity leads.
  • the problem described can occur in particular in the case of a gas turbine, if the second component is a seal that can be closed using Holding bolt is held in its target position. Vibrations can do this during operation cause the seal to gnaw into the bolts. In extreme cases they can This weakens the bolts and finally breaks them off. Then not more gasket can slide in front of the cooling gas channel or channels. This results in a deterioration in the cooling effect and a drop in pressure in the first cavity, resulting in an extremely high in a short time Temperature rise in the first cavity can result.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is concerned with the problem for a cooling device of the type mentioned to provide an improved embodiment, the especially when the relative position between the first component changes and the second component an adequate cooling gas supply of the first Cavity.
  • the invention is based on the general idea, the first Cavity-facing mouth region of the cooling gas channel in terms of its Dimensioning and / or positioning to a predetermined Adjust adjustment range within which the relative adjustments move between the two components as expected.
  • This Construction can be used for any possible relative position between the two components A sufficiently large cross-section of the mouth can be made available, so that always an adequate supply of cooling gas to the first cavity and a sufficiently large pressure is available in the first cavity.
  • the performance of the cooling device can be improved.
  • the cooling gas channel can be outside its mouth area have a specified nominal cross section that is smaller than all cross sections in the Mouth area.
  • This nominal cross section forms within the cooling gas duct the narrowest or smallest cross section. Accordingly, by the Nominal cross section in a nominal operating point of the cooling device Cooling gas mass flow through the cooling gas channel and the pressures in the first and defined in the second cavity.
  • Cooling gas mass flow through the cooling gas channel and the pressures in the first and defined in the second cavity can be a minimum cross section with which the muzzle cross section in all provided relative positions of the components is securely open, the same size as or be larger than this nominal cross section. Accordingly, this ensures Construction that in all predicted relative positions between the components the cooling gas mass flow through the cooling gas channel and / or the pressure in the first and the second cavity have the values provided for the nominal operation.
  • the mouth area can have any geometric shape have, which leads to a mouth cross-section that is larger than that Nominal cross-section. Geometries that are easy to produce are preferred.
  • the mouth area can be formed by a chamfer, the the end of the cooling gas channel facing the first cavity is attached.
  • a groove in which several cooling gas channels are provided are in the wall on a system side facing the first cavity a groove can be formed, the at least two cooling gas channels with each other connects, such that the mouth areas of these cooling gas channels through the Groove are formed or pass into this groove.
  • the 1 contains a gas turbine 1, only partially shown, in particular a power plant, a rotor 2, which is not one here shown, rotatable parallel to the cutting plane rotor axis mounted is.
  • the rotor 2 carries blades 3, of which only one in FIG. 1 is shown as an example.
  • the rotor 2 rotates in a housing 4, which several Guide vanes 5 carries, of which only two are shown here.
  • the housing 4 carries a heat shield 6 between two rows of guide vanes, one of which Blade 3 is radially adjacent.
  • the heat shield 6 has a radially inner one with respect to the rotor axis of the rotor 2 inside 7 and radially outside outside 8 on.
  • the first cavity 9 and the second cavity 10 separated from each other by a wall 11, which on the outside 8 of the Heat shield 6 is formed on the heat shield 6 and in the circumferential direction extends.
  • the heat shield 6 On its inside 7, the heat shield 6 is a third cavity 12 exposed, in which the blades 3,5 are arranged, and which in the operation of the Gas turbine 1 is flowed through with hot flow gases. Axially between the Heat shield 6 and a blade root 13 of the downstream adjacent guide blade 5 a gap 14 is formed, through which the first cavity 9 with the third Cavity 12 is connected. Around this connection or around this gap 14 seal, is on a system side facing away from the second cavity 10 15 Wall 11 has a seal 16 arranged on the one hand on the contact side 15 the wall 11 and on the other hand axially supported on the blade root 13. The seal 16 thus separates the first cavity 9 from the third cavity 12.
  • the seal 16 has a U-shaped cross section as an example. It is clear that basically any other cross-sections can be used can, such as a W-shaped cross section or a full cross section or a disc-shaped cross section.
  • Cooling device 17 is provided according to the invention.
  • the second cavity 10 via a cooling gas supply 18 with a cooling gas applied.
  • At least one cooling gas channel 19 is formed in the wall 11, communicating the first cavity 9 with the second cavity 10 combines.
  • the wall 11 usually contains distributed in the circumferential direction several such cooling gas channels 19. Via the cooling gas channels 19 can the cooling gas from the second cavity 10 enter the first cavity 9 and cool the surfaces or components adjacent to the first cavity 9.
  • the first cavity 9 With cooling gas provided.
  • a predetermined pressure is in the first cavity 9 formed, which is advantageously higher than the pressure in the third cavity 12. This ensures that in the event of leaks, no hot gas from the third Cavity 12 enters the first cavity 9.
  • the seal 16 is in the correct operation of the gas turbine 1 approximately in the position shown in Fig. 1, in which it the gas flow through the Cooling gas channel 19 is not hindered. In certain operating situations and / or in the case of (minor) damage, it can happen that the Seal 16 in the radial direction along the wall 11 within a predetermined adjustment range moves. Here, the seal 16 can push one or more cooling channels 19. So that through this Adjustment movement of the seal 16 no impairment of the cooling effect results, is the cooling device 17 with the features of the invention equipped, which is described in more detail below with reference to FIGS. 2 to 9.
  • This mouth region 20 is now inside the wall 11 on the plant side 15 dimensioned and / or positioned so that its mouth cross section 21 protrudes the aforementioned adjustment range of the seal 16, namely to the extent that the mouth cross section 21 in any position Seal 16 is not completely within the adjustment range of the seal 16 can be covered, but always at least with a predetermined
  • the minimum cross section remains open. This minimum cross section is chosen so that A sufficient flow through the cooling gas channel 19 can be guaranteed can, so that on the one hand a sufficient mass flow and on the other hand a sufficient pressure can be provided in the first cavity 9.
  • the seal 16 takes a first extreme position in its Adjustment range in which there is minimal overlap with the Mouth cross section 21 results.
  • This relative position is normal Operating conditions of the gas turbine 1 before. 4, 5 and 8, 9 show a second extreme position of the seal 16 within the adjustment range maximum coverage of the mouth cross section 21. This relative position results in special operating conditions or in the case of calculated damage, for example if a mounting of the seal 16 fails.
  • the default Adjustment range of the seal 16 is in FIGS. 4 and 8 by a double arrow symbolized and labeled 22.
  • the cooling gas channel 19 has a constant Cross section, which is also referred to below as the nominal cross section 23.
  • This nominal cross section 23 is smaller than all cross sections in the Mouth area 20.
  • the nominal cross section 23 defines the nominal operating point of the Gas turbine 1, the cooling gas mass flow through the cooling gas channel 19 and the achievable pressure in the first cavity 9. Furthermore, the Dimensioning of the nominal cross section 23 of the pressure in the second cavity 10 certainly. It is therefore essential for the proper operation of the cooling device 17 not useful, the entire cooling gas channel 19 with the comparatively to equip a large mouth cross section 21. For example, that would be Pressure drop in the second cavity 10 too large.
  • the minimum cross-section is according to an appropriate dimensioning of the mouth cross section 21, which at maximum coverage of the seal 16 remains open, chosen so large that it is at least the same size as the Nominal cross section 23. Accordingly, even with an extreme Adjustment of the seal 16 provided for the nominal operating point Mass flow and the associated pressure conditions in the first cavity 9 and are maintained in the second cavity 10.
  • the cooling gas channel 19 widens in Mouth area 20 to the first cavity 9 until it is Mouth cross section 21 reached.
  • the cooling gas channel 19 tapers from the mouth cross section 21 to Nominal cross section 23. This is achieved, for example, by means of a retrospective attached bevel.
  • the mouth area has 20 also from this cross-sectional expansion 24 to the mouth cross-section 21 a constant cross section.
  • the mouth region 20 be produced by means of a groove 25 which on the contact side 15 into the wall 11 is introduced in such a way that the cooling gas channel 19 in the groove base of the groove 25 opens.
  • the side of the groove 25 that is open toward the first cavity 9 then forms the mouth cross section 21 of the cooling gas channel 19, which is determined by the length of the groove 25 can be designed many times larger than the nominal cross section 23 can.
  • the wall 11 contains a plurality of cooling gas channels 19, it is appropriate to Lay groove 25 so that it spans several, especially all, Cooling gas channels 19 leads.
  • the connected to each other via the groove 25 Cooling gas channels 19 thus have a common, relatively large volume Mouth area 20.
  • the heat shield 6 here forms a first component 6 on which the wall 11 is connected Separation of the first cavity 9 from the second cavity 10 is formed.
  • the seal 16 which forms a second component 16, which on the wall 11th separates the first cavity 9 from the third cavity 12.
  • the second component 16 can also be formed by another component.
  • the blade root 13 can be located directly on the contact side 15 of the wall 11 come to rest and thereby form the second component. It is clear that the present invention is not limited to a heat shield 6, but instead basically on any other component with the corresponding Cooling device 17 is applicable.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (17) zum Versorgen eines ersten Hohlraums (9) mit einem Kühlgas, insbesondere in einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage, umfassend einen Kühlgaskanal (19), der in einem ersten Bauteil (6) ausgebildet ist und den ersten Hohlraum (9) mit einem zweiten Hohlraum (10) verbindet. An einer vom zweiten Hohlraum (10) abgewandten Anlageseite (15) liegt ein zweites Bauteil (16) an und trennt den ersten Hohlraum (9) vom einem dritten Hohlraum (12). Das zweite Bauteil (16) ist in einem Verstellbereich verstellbar. Zur Verbesserung der Kühlwirkung ist ein Mündungsbereich (20) des Kühlgaskanals (19) so dimensioniert und positioniert, dass sein Mündungsquerschnitt (21) aus dem Verstellbereich herausragt, derart, dass er in jeder Stellung des zweiten Bauteils (16) zumindest mit einem vorgegebenen Mindestquerschnitt offen ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zum Beaufschlagen eines ersten Hohlraums mit einem Kühlgas, insbesondere in einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, ein Bauteil, das an einer ersten Seite einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, an seiner anderen Seite zu kühlen. Beispielsweise ist in einer Gasturbine ein sogenannter Hitzeschild an der einen Seite von den heißen Verbrennungsabgasen beaufschlagt und an seiner anderen Seite einer Kühlgasströmung ausgesetzt. An der gekühlten Seite kann das jeweilige Bauteil eine Wand aufweisen, die beispielsweise zu Befestigungszwecken dient und die an dieser gekühlten Seite einen ersten Hohlraum von einem zweiten Hohlraum trennt. Während der zweite Hohlraum üblicherweise mit einer Kühlgasversorgung verbunden ist, kann der erste Hohlraum über einen oder mehrere Kühlgaskanäle aus dem zweiten Hohlraum mit Kühlgas versorgt werden. An der Wand des ersten Bauteils kann an der vom zweiten Hohlraum abgewandten Seite ein weiteres Bauteil anliegen, das dabei den ersten Hohlraum von einem dritten Hohlraum trennt. Beispielsweise bildet der dritte Hohlraum dann den Heißgasbereich einer Gasturbine. Bei diesem zweiten Bauteil kann es sich um einen weiteren Hitzeschild, eine Turbinenschaufel oder um eine Dichtung handeln.
Insbesondere in einer Gasturbine kann es zwischen den beiden Bauteilen zu Relativbewegungen kommen. In ungünstigen Fällen kann sich das zweite Bauteil vor die Mündung des Kühlgaskanals legen, wodurch zum einen der Kühlgasmassenstrom in den ersten Hohlraum reduziert wird, so dass sich dort eine unerwünschte Temperaturerhöhung einstellen kann. Zum anderen kann es im ersten Hohlraum zu einem unerwünschten Druckabfall kommen, wodurch aus dem dritten Hohlraum Heißgase unter Umgehung des zweiten Bauteils in den ersten Hohlraum eintreten können, was ebenfalls zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung im zweiten Hohlraum führt.
Das geschilderte Problem kann insbesondere bei einer Gasturbine auftreten, wenn es sich beim zweiten Bauteil um eine Dichtung handelt, die mit Hilfe von Haltebolzen in ihrer Solllage gehaltert ist. Im Betrieb können Vibrationen dazu führen, dass sich die Dichtung in die Bolzen hineinfrißt. Im Extremfall können die Bolzen dadurch geschwächt werden und schließlich abbrechen. Die dann nicht mehr gehalterte Dichtung kann sich vor den oder die Kühlgaskanäle schieben. Damit gehen eine Verschlechterung der Kühlwirkung sowie ein Druckabfall im ersten Hohlraum einher, was in kurzer Zeit zu einem extrem hohen Temperaturanstieg im ersten Hohlraum führen kann.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere bei einer Veränderung der Relativlage zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine hinreichende Kühlgasversorgung des ersten Hohlraums ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen dem ersten Hohlraum zugewandten Mündungsbereich des Kühlgaskanals hinsichtlich seiner Dimensionierung und/oder Positionierung auf einen vorbestimmten Verstellbereich abzustimmen, innerhalb dem sich die Relativverstellungen zwischen den beiden Bauteilen erwartungsgemäß bewegen. Durch diese Bauweise kann für jede mögliche Relativlage zwischen den beiden Bauteilen ein hinreichend großer Mündungsquerschnitt bereit gestellt werden, so dass stets eine hinreichende Kühlgasversorgung des ersten Hohlraums sowie ein hinreichend großer Druck im ersten Hohlraum zur Verfügung steht. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass mit Hilfe einer relativ einfach und preiswert realisierbaren Maßnahme die Leistungsfähigkeit der Kühleinrichtung verbessert werden kann.
Der Kühlgaskanal kann außerhalb seines Mündungsbereichs einen vorgegebenen Nennquerschnitt aufweisen, der kleiner ist als alle Querschnitte im Mündungsbereich. Dieser Nennquerschnitt bildet innerhalb des Kühlgaskanals den engsten oder kleinsten Querschnitt. Dementsprechend werden durch den Nennquerschnitt in einem Nennbetriebspunkt der Kühleinrichtung der Kühlgasmassenstrom durch den Kühlgaskanal sowie die Drücke im ersten und im zweiten Hohlraum definiert. Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung kann ein Mindestquerschnitt, mit dem der Mündungsquerschnitt in allen vorgesehenen Relativlagen der Bauteile sicher geöffnet ist, gleich groß wie oder größer als dieser Nennquerschnitt sein. Dementsprechend gewährleistet diese Bauweise, dass in allen vorhergesehenen Relativlagen zwischen den Bauteilen der Kühlgasmassenstrom durch den Kühlgaskanal und/oder der Druck im ersten und zweiten Hohlraum die für den Nennbetrieb vorgesehenen Werte aufweisen.
Der Mündungsbereich kann grundsätzlich jede beliebige geometrische Form aufweisen, die zu einem Mündungsquerschnitt führt, der größer ist als der Nennquerschnitt. Hierbei werden einfach herstellbare Geometrien bevorzugt. Beispielsweise kann der Mündungsbereich durch eine Fase gebildet sein, die an dem den ersten Hohlraum zugewandten Ende des Kühlgaskanals angebracht ist.
Bei einer anderen Ausführungsform, bei der mehrere Kühlgaskanäle vorgesehen sind, kann in der Wand an einer dem ersten Hohlraum zugewandten Anlageseite eine Nut ausgebildet sein, die wenigstens zwei Kühlgaskanäle miteinander verbindet, derart, dass die Mündungsbereiche dieser Kühlgaskanäle durch die Nut gebildet sind oder in diese Nut übergehen. Durch das Einbringen einer solchen Nut kann für mehrere Kühlgaskanäle gleichzeitig der erfindungsgemäße Mündungsbereich hergestellt werden. Durch diese Bauweise vereinfacht sich die Herstellung des mit der Kühleinrichtung ausgestatteten ersten Bauteils.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1
einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine im Bereich eines mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ausgestatteten Bauteils,
Fig. 2
einen Längsschnitt durch ein Detail II in Fig. 1, bei einem vergrößerten Maßstab und bei einer ersten Relativlage,
Fig. 3
eine Frontansicht entsprechend der Blickrichtung III auf das Detail in Fig. 2,
Fig. 4
eine Ansicht wie in Fig. 2, jedoch bei einer zweiten Relativlage,
Fig. 5
eine Ansicht wie in Fig. 3, jedoch bei der zweiten Relativlage,
Fig. 6
eine Ansicht wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 7
eine Ansicht wie in Fig. 3, jedoch bei der anderen Ausführungsform,
Fig. 8
eine Ansicht wie in Fig. 4, jedoch bei der anderen Ausführungsform,
Fig. 9
eine Ansicht wie in Fig. 5, jedoch bei der anderen Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 enthält eine nur teilweise dargestellte Gasturbine 1, insbesondere einer Kraftwerksanlage, einen Rotor 2, der um eine hier nicht dargestellte, parallel zur Schnittebene verlaufende Rotorachse drehbar gelagert ist. Der Rotor 2 trägt Laufschaufeln 3, von denen in Fig. 1 jedoch nur eine exemplarisch dargestellt ist. Der Rotor 2 dreht in einem Gehäuse 4, das mehrere Leitschaufeln 5 trägt, von denen hier nur zwei dargestellt sind. Das Gehäuse 4 trägt zwischen zwei Leitschaufel-Reihen einen Hitzeschild 6, der der einen Laufschaufel 3 radial benachbart ist.
Der Hitzeschild 6 weist bezüglich der Rotorachse des Rotors 2 radial innen eine innenliegende Innenseite 7 und radial außen eine außenliegende Außenseite 8 auf. An der Außenseite 8 des Hitzeschilds 6 sind ein erster Hohlraum 9 und ein zweiter Hohlraum 10 angeordnet, denen die Außenseite 8 des Hitzeschilds 6 ausgesetzt ist. Dabei sind der erste Hohlraum 9 und der zweite Hohlraum 10 durch eine Wand 11 voneinander getrennt, die an der Außenseite 8 des Hitzeschilds 6 am Hitzeschild 6 ausgebildet ist und sich in Umfangsrichtung erstreckt.
An seiner Innenseite 7 ist der Hitzeschild 6 einem dritten Hohlraum 12 ausgesetzt, in dem die Schaufeln 3,5 angeordnet sind, und der im Betrieb der Gasturbine 1 mit heißen Strömungsgasen durchströmt ist. Axial zwischen dem Hitzeschild 6 und einem Schaufelfuß 13 der stromab benachbarten Leitschaufel 5 ist ein Spalt 14 ausgebildet, über den der erste Hohlraum 9 mit dem dritten Hohlraum 12 verbunden ist. Um diese Verbindung bzw. um diesen Spalt 14 zu dichten, ist an einer vom zweiten Hohlraum 10 abgewandten Anlageseite 15 der Wand 11 eine Dichtung 16 angeordnet, die sich einerseits an der Anlageseite 15 der Wand 11 und andererseits am Schaufelfuß 13 axial abstützt. Die Dichtung 16 trennt somit den ersten Hohlraum 9 vom dritten Hohlraum 12. Die Dichtung 16 besitzt hier exemplarisch einen U-förmigen Querschnitt. Es ist klar, dass grundsätzlich auch beliebige andere Querschnitte zur Anwendung kommen können, wie z.B. ein W-förmiger Querschnitt oder ein Voll-Querschnitt oder ein scheibenförmiger Querschnitt.
Damit der Hitzeschild 6 den hohen thermischen Belastungen im Betrieb der Gasturbine 1 standhält, ist an der Außenseite 8 des Hitzeschilds 6 eine Kühleinrichtung 17 nach der Erfindung vorgesehen. Bei dieser Kühleinrichtung 17 wird der zweite Hohlraum 10 über eine Kühlgaszuführung 18 mit einem Kühlgas beaufschlagt. In der Wand 11 ist wenigstens ein Kühlgaskanal 19 ausgebildet, der den ersten Hohlraum 9 mit dem zweiten Hohlraum 10 kommunizierend verbindet. Üblicherweise enthält die Wand 11 in Umfangsrichtung verteilt mehrere solche Kühlgaskanäle 19. Über den oder die Kühlgaskanäle 19 kann das Kühlgas aus dem zweiten Hohlraum 10 in den ersten Hohlraum 9 eintreten und die an den ersten Hohlraum 9 angrenzenden Flächen bzw. Bauteile kühlen.
Durch den oder die Kühlgaskanäle 19 wird der erste Hohlraum 9 mit Kühlgas versorgt. Gleichzeitig wird im ersten Hohlraum 9 ein vorbestimmter Druck ausgebildet, der zweckmäßig höher ist als der Druck im dritten Hohlraum 12. Hierdurch wird erreicht, dass im Fall von Leckagen kein Heißgas vom dritten Hohlraum 12 in den ersten Hohlraum 9 gelangt.
Die Dichtung 16 befindet sich im ordnungsgemäßen Betrieb der Gasturbine 1 etwa in der in Fig. 1 dargestellten Position, in der sie die Gasströmung durch den Kühlgaskanal 19 nicht behindert. Bei bestimmten Betriebssituationen und/oder bei (geringfügigen) Schadensfällen kann es dazu kommen, dass sich die Dichtung 16 in radialer Richtung entlang der Wand 11 innerhalb eines vorbestimmten Verstellbereichs verschiebt. Dabei kann sich die Dichtung 16 vor einen oder vor mehrere Kühlkanäle 19 schieben. Damit sich durch diese Verstellbewegung der Dichtung 16 keine Beeinträchtigung der Kühlwirkung ergibt, ist die Kühleinrichtung 17 mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestattet, was im folgenden anhand der Fig. 2 bis 9 näher beschrieben wird.
Entsprechend den Fig. 2 bis 9 ist der Kühlgaskanal 19 mit einem Mündungsbereich 20 ausgestattet, der dem ersten Hohlraum 9 zugewandt ist und in der Anlageseite 15 der Wand 11 einen Mündungsquerschnitt 21 aufweist.
Dieser Mündungsbereich 20 ist nun innerhalb der Wand 11 an der Anlageseite 15 so dimensioniert und/oder positioniert, dass sein Mündungsquerschnitt 21 aus dem zuvor genannten Verstellbereich der Dichtung 16 herausragt, und zwar soweit, dass der Mündungsquerschnitt 21 in jeder beliebigen Stellung der Dichtung 16 innerhalb dieses Verstellbereichs nicht vollständig von der Dichtung 16 abgedeckt werden kann, sondern stets zumindest mit einem vorgegebenen Mindestquerschnitt offen bleibt. Dieser Mindestquerschnitt ist so gewählt, dass eine hinreichende Durchströmung des Kühlgaskanals 19 gewährleistet werden kann, so dass einerseits ein hinreichender Massenstrom und andererseits ein ausreichender Druck im ersten Hohlraum 9 bereit gestellt werden kann.
In den Fig. 2,3 und 6,7 nimmt die Dichtung 16 eine erste Extremstellung in ihrem Verstellbereich ein, in der sich eine minimale Überdeckung mit dem Mündungsquerschnitt 21 ergibt. Diese Relativlage liegt bei normalen Betriebsbedingungen der Gasturbine 1 vor. Die Fig. 4, 5 und 8, 9 zeigen eine zweite Extremstellung der Dichtung 16 innerhalb des Verstellbereichs mit maximaler Überdeckung des Mündungsquerschnitts 21. Diese Relativlage ergibt sich bei Sonderbetriebszuständen oder bei kalkulierten Schadensfällen, beispielsweise wenn eine Halterung der Dichtung 16 versagt. Der vorgegebene Verstellbereich der Dichtung 16 ist in den Fig. 4 und 8 durch einen Doppelpfeil symbolisiert und mit 22 bezeichnet.
Wie aus den Fig. 4, 5 und 8, 9 entnehmbar ist, kann auch bei einer maximal erreichbaren Überdeckung zwischen Dichtung 16 und Kühlgaskanal 19 eine ausreichende Kühlgasströmung aufrechterhalten bleiben. Dies ist für die Funktionssicherheit der Gasturbine 1 von besonderer Bedeutung.
Bis zum Mündungsbereich 20 besitzt der Kühlgaskanal 19 einen konstanten Querschnitt, der im folgenden auch als Nennquerschnitt 23 bezeichnet wird.
Dieser Nennquerschnitt 23 ist kleiner als sämtliche Querschnitte im Mündungsbereich 20. Der Nennquerschnitt 23 definiert im Nennbetriebspunkt der Gasturbine 1 den Kühlgasmassenstrom durch den Kühlgaskanal 19 sowie den erreichbaren Druck im ersten Hohlraum 9. Desweiteren wird durch die Dimensionierung des Nennquerschnitts 23 der Druck im zweiten Hohlraum 10 bestimmt. Es ist daher für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Kühleinrichtung 17 nicht zweckmäßig, den gesamten Kühlgaskanal 19 mit dem vergleichsweise großen Mündungsquerschnitt 21 auszustatten. Beispielsweise wäre dann der Druckabfall im zweiten Hohlraum 10 zu groß.
Entsprechend einer zweckmäßigen Dimensionierung wird der Mindestquerschnitt des Mündungsquerschnitts 21, der bei maximaler Überdeckung der Dichtung 16 noch offen bleibt, so groß gewählt, dass er zumindest gleich groß ist wie der Nennquerschnitt 23. Dementsprechend können auch bei einer extremen Verstellung der Dichtung 16 der für den Nennbetriebspunkt vorgesehene Massenstrom sowie die zugehörigen Druckverhältnisse im ersten Hohlraum 9 und im zweiten Hohlraum 10 aufrechterhalten bleiben.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2 bis 5 weitet sich der Kühlgaskanal 19 im Mündungsbereich 20 zum ersten Hohlraum 9 hin auf bis er seinen Mündungsquerschnitt 21 erreicht. Mit anderen Worten, im Mündungsbereich 20 verjüngt sich der Kühlgaskanal 19 vom Mündungsquerschnitt 21 bis zum Nennquerschnitt 23. Erreicht wird dies beispielsweise mittels einer nachträglich angebrachten Fase.
Bei einer anderen Ausführungsform, wie z.B. der in den Fig. 6 bis 9 gezeigten, kann der Kühlgaskanal 19 mit einer sprungartigen Querschnittserweiterung 24 in den Mündungsbereich 20 übergehen. Hier besitzt der Mündungsbereich 20 außerdem von dieser Querschnittserweiterung 24 bis zum Mündungsquerschnitt 21 einen gleichbleibenden Querschnitt.
Wie besonders aus den Fig. 7 und 9 hervorgeht, kann der Mündungsbereich 20 mittels einer Nut 25 hergestellt werden, die an der Anlageseite 15 in die Wand 11 eingebracht ist, derart, dass der Kühlgaskanal 19 in den Nutgrund der Nut 25 einmündet. Die zum ersten Hohlraum 9 hin offene Seite der Nut 25 bildet dann den Mündungsquerschnitt 21 des Kühlgaskanals 19, der durch die Länge der Nut 25 um ein Vielfaches größer als der Nennquerschnitt 23 ausgestaltet werden kann.
Sofern die Wand 11 mehrere Kühlgaskanäle 19 enthält, ist es zweckmäßig, die Nut 25 so zu legen, dass sie über mehrere, insbesondere über alle, Kühlgaskanäle 19 führt. Die über die Nut 25 miteinander verbundenen Kühlgaskanäle 19 besitzen dadurch einen gemeinsamen, relativ großvolumigen Mündungsbereich 20.
Bei der Dimensionierung und Positionierung des Mündungsbereichs 20 wird zweckmäßig auch darauf geachtet, dass innerhalb des zulässigen Verstellbereichs keine Relativlage entsteht, in welcher der Mündungsquerschnitt 21 zum dritten Hohlraum 12 hin bzw. zum Spalt 14 hin offen ist.
Der Hitzeschild 6 bildet hier ein erstes Bauteil 6, an dem die Wand 11 zur Trennung des ersten Hohlraums 9 vom zweiten Hohlraum 10 ausgebildet ist. An der Anlageseite 15 dieser Wand 11, die den oder die Kühlkanäle 19 enthält, liegt die Dichtung 16 an, die dabei ein zweites Bauteil 16 bildet, das an der Wand 11 den ersten Hohlraum 9 vom dritten Hohlraum 12 trennt. Anstelle der Dichtung 16 kann das zweite Bauteil 16 auch durch eine andere Komponente gebildet sein. Beispielsweise kann der Schaufelfuß 13 direkt an der Anlageseite 15 der Wand 11 zur Anlage kommen und dadurch das zweite Bauteil bilden. Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen Hitzeschild 6 beschränkt ist, sondern grundsätzlich auf ein beliebiges anderes Bauteil mit entsprechender Kühleinrichtung 17 anwendbar ist.
Bezugszeichenliste
1
Gasturbine
2
Rotor
3
Laufschaufel
4
Gehäuse
5
Leitschaufel
6
Hitzeschild/erstes Bauteil
7
Innenseite von 6
8
Außenseite von 6
9
erster Hohlraum
10
zweiter Hohlraum
11
Wand
12
dritter Hohlraum
13
Schaufelfuß
14
Spalt
15
Anlageseite von 11
16
Dichtung/zweites Bauteil
17
Kühleinrichtung
18
Kühlgaszuführung
19
Kühlgaskanal
20
Mündungsbereich von 19
21
Mündungsquerschnitt
22
Verstellbereich
23
Nennquerschnitt
24
Querschnittserweiterung
25
Nut

Claims (15)

  1. Kühleinrichtung zum Beaufschlagen eines ersten Hohlraums (9) mit einem Kühlgas, insbesondere in einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage,
    mit wenigstens einem Kühlgaskanal (19) der in einer den ersten Hohlraum (9) von einem zweiten Hohlraum (10) trennenden Wand (11) eines ersten Bauteils (6) angeordnet ist und der den ersten Hohlraum (9) mit dem zweiten Hohlraum (10) kommunizierend verbindet,
    wobei an der Wand (11) auf einer vom zweiten Hohlraum (10) abgewandten Anlageseite (15) ein zweites Bauteil (16) anliegt und dort den ersten Hohlraum (9) von einem dritten Hohlraum (12) trennt,
    wobei das zweite Bauteil (16) entlang der Wand (11) in einem vorbestimmten Verstellbereich (22) verstellbar ist,
    wobei ein dem ersten Hohlraum (9) zugewandter Mündungsbereich (20) des Kühlgaskanals (19) so dimensioniert und/oder positioniert ist, dass sein Mündungsquerschnitt (21) zumindest soweit aus dem Verstellbereich (22) herausragt, dass er in jeder Stellung des zweiten Bauteils (16) innerhalb des Verstellbereichs (22) zumindest mit einem vorgegebenen Mindestquerschnitt offen ist.
  2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgaskanal (19) außerhalb seines Mündungsbereichs (20) einen vorgegebenen Nennquerschnitt (23) aufweist, der kleiner ist als die Querschnitte im Mündungsbereich (20).
  3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgaskanal (19) außerhalb des Mündungsbereichs (20) konstant den Nennquerschnitt (23) aufweist.
  4. Kühleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestquerschnitt gleich groß ist wie oder größer ist als der Nennquerschnitt (23).
  5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlgaskanal (19) in seinem Mündungsbereich (20) zum ersten Hohlraum (9) hin bis zum Mündungsquerschnitt (21) aufweitet.
  6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (20) durch eine Fase gebildet ist.
  7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlgaskanal (19) mit einer sprungartigen Querschnittserweiterung (24) in seinen Mündungsbereich (20) übergeht,
    wobei der Querschnitt im Mündungsbereich (20) von der Querschnittserweiterung (24) bis zum Mündungsquerschnitt (21) konstant ist.
  8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens zwei Kühlgaskanäle (19) vorgesehen sind,
    dass in der Wand (11) an der Anlageseite (15) eine Nut (25) ausgebildet ist, die wenigstens zwei Kühlgaskanäle (19) miteinander verbindet, derart, dass die Mündungsbereiche (20) dieser Kühlgaskanäle (19) durch die Nut (25) gebildet sind oder in die Nut (25) übergehen.
  9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste Bauteil ein Hitzeschild (6) einer Gasturbine (1) ist, der bezüglich einer Rotationsachse eines Rotors (2) der Gasturbine (1) radial innen dem dritten Hohlraum (12) und radial außen dem ersten Hohlraum (9) und dem zweiten Hohlraum (10) ausgesetzt ist,
    dass die Wand (11) radial außen vom Hitzeschild (6) absteht,
    dass sich die Wand (11) in Umfangsrichtung erstreckt,
    dass mehrere Kühlgaskanäle (19) in der Wand (11) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
  10. Kühleinrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil ein weiterer Hitzeschild oder ein Fuß (13) einer Leitschaufel (5) der Gasturbine (1) ist.
  11. Kühleinrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil eine Dichtung (16) ist, die einerseits an der Wand (11) des Hitzeschilds (6) und andererseits an einem weiteren Hitzeschild oder an einem Fuß (13) einer Leitschaufel (5) der Gasturbine (1) anliegt und einen den ersten Hohlraum (9) mit dem dritten Hohlraum (12) verbindenden Spalt (14) dichtet.
  12. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil eine Dichtung (16) ist, die einen Spalt (14) abdichtet, der zwischen dem ersten Bauteil (6) und einem dritten Bauteil (13) ausgebildet ist und den ersten Hohlraum (9) mit dem dritten Hohlraum (12) verbindet.
  13. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung und/oder Dimensionierung des Mündungsbereichs (20) so gewählt ist, dass der Mündungsquerschnitt (21) in keiner Stellung des zweiten Bauteils (16) innerhalb des Verstellbereichs (22) zum dritten Hohlraum (12) hin offen ist.
  14. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich das erste Bauteil (6), das zweite Bauteil (16) und die Wand (11) bezüglich einer gemeinsamen Längsmittelachse ringförmig erstrecken,
    dass die Wand (11) den ersten Hohlraum (9) axial vom zweiten Hohlraum (10) trennt,
    dass das zweite Bauteil (16) den ersten Hohlraum (9) radial vom dritten Hohlraum (12) trennt,
    dass das zweite Bauteil (16) relativ zum ersten Bauteil (6) radial verstellbar ist,
    dass der Kühlgaskanal (19) im Bereich einer radial außen liegenden Außenseite (8) des zweiten Bauteils (6) in den ersten Hohlraum (9) einmündet.
  15. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 8 und 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Kühlgaskanäle (19) in Umfangsrichtung verteilt in der Wand (11) ausgebildet sind,
    dass sich die Nut (25) in Umfangsrichtung erstreckt.
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